Hacheurs-cours-03

BTS électrotechnique 2ème année - Sciences physiques appliquées
CH10 : Les hacheurs
Enjeu : motorisation des systèmes
Problématique : Comment obtenir plusieurs points de fonctionnement entre un moteur à courant continu
et une charge mécanique ; le cas échéant dans plusieurs quadrants ?
Objectifs :
A l’issue de la leçon, l’étudiant doit :
10.1
Connaître les structures des hacheurs série, parallèle, réversible en courant, réversible
en tension et 4 quadrants.
10.2
Savoir déterminer la forme d’onde de la tension de sortie d’un hacheur série les
intervalles de conduction étant connus
10.3
Savoir déterminer la forme d’onde de la tension d’entrée d’un hacheur parallèle les
intervalles de conduction étant connus
10.4
Savoir calculer la valeur moyenne de la tension d’un hacheur en passant par un calcul
d’aire
10.5
Connaître l’application du montage dans la motorisation des systèmes
10.6
Savoir calculer la puissance en entrée et en sortie du hacheur
1. Qu’est-ce qu’un hacheur ?
Un hacheur est un convertisseur statique qui permet de régler le transfert d’énergie entre une source
électrique continue et une charge électrique continue.
Son symbole normalisé est :
Source Charge
transfert de
puissance
Réversibilité possible
selon le type de
hacheur
2. Quelles sont ses applications dans l’industrie ?
Le hacheur est principalement utilisé pour :
 La variation de vitesse d’un moteur à courant continu
 Le freinage par récupération
 Alimentation d’appareil électronique grand public (PC, …)
3. Comment est régulé le transfert de puissance dans un hacheur ?
A l’aide d’un composant qui permet régler, sur une période, la durée du transfert de puissance entre la
source et la charge.
Ce composant est le transistor de symbole :
E (Emmetteur)
C (Collecteur)
B
(Base)

Les transistors d’électronique de puissance fonctionnent en tout ou rien : ils sont équivalents à un
interrupteur fermé lorsqu’on applique une tension positive entre B et C suffisamment grande (voir
données constructeur) et à un interrupteur ouvert dans le cas contraire.
La commande (ouverture et fermeture) du transistor s’effectue entre les bornes B et C.
Le transfert de puissance s’effectue entre les bornes E et C
4. Qu’est-ce que le rapport cyclique ?
C’est la fraction de période pendant lequel le transistor conduit. On le note .
Exemple : si le transistor conduit pendant ¼ de la période,   .
Pour déterminer le rapport cyclique on utilise la relation :
5. Quels sont les différents types de hacheur ?
On distingue :
 Le hacheur série
 Le hacheur parallèle
 Les hacheurs 2 et 4 quadrants
 Les alimentations à découpage.
6. Quelle est la structure du hacheur série ?
Le hacheur série est un convertisseur statique réglant le transfert d’énergie entre une générateur de
tension continue est une source de courant continu.
VCC
i
u
T
D
Hacheur série
7. Quelle est la forme d’onde de la tension en sortie du hacheur série ?
Les conductions de T et D sont complémentaires : quand T est passant (T=1) alors D est bloquée (D=0)
et vice-versa.
E (Emmetteur)
C (Collecteur)
B
(Base)
E
C
u
i
E
C
u
i
u=0
i=0

De 0 à , le transistor est passant : T=1 et D=0
VCC
i
u
D
T
On a alors u=VCC.
De  à , le transistor est bloqué : T=0 et D=1
i
VCC u
D
T
On a alors u=0.
D’où la forme d’onde suivante :
0
u(t)
T T
VCC
t
8. Quelle est l’expression de la valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur série ?
Avec  : aire située sous la courbe (voir surface
hachurée ci-contre).
0
u(t)
T T
VCC
t
9. Comment le hacheur série permet-il la variation de vitesse des moteurs à courant continu ?
La tension en sortie du hacheur est continue mais pas parfaitement lissée. Cependant, en rendant par
réglage la période T du hacheur négligeable par rapport à la constante de temps mécanique du moteur,
la vitesse de celui-ci n’aura pas le temps de varier. Tout se passe comme-ci le moteur était alimenté par
une tension continue parfaitement lissée      .
Avec le réglage de  on obtient différentes valeurs de
U qui correspondent à des caractéristiques mécaniques
différentes pour le moteur (droites parallèles).
Ces droites permettent d’obtenir plusieurs points de
fonctionnement avec la charge entraînée (voir ci-
contre l’exemple de l’entraînement d’une pompe).
Le hacheur permet également le démarrage à tension
d’induit réduite.
T
n
𝒖 𝜶𝑽𝑪𝑪
Tr=f(n) de la pompe
Tu=f(n) du moteur pour  
(U=Un)

10. Quelle est la forme d’onde du courant en sortie d’un hacheur série alimentant un moteur à
courant continu ?
La constante de temps électrique du moteur est beaucoup plus faible que la constante mécanique de
celui-ci et n’est pas négligeable devant la période du hacheur. Le courant va donc répondre aux
fluctuations de la tension en sortie du hacheur.
Une fois le régime permanent établi (le moteur démarre avant t=0), on a montré dans le paragraphe
précédent que la vitesse était constante : donc E=Cte
 A t=0, u passe brutalement de 0 à VCC.
La variation du courant d’induit du moteur est régit par l’équation différentielle suivante :
C’est un régime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l’équation sous sa forme canonique :
La constante de temps est   
 est la valeur finale de i est 
i croit donc suivant la courbe de réponse d’un 1er ordre à un échelon, mais n’a pas le temps d’atteindre
sa valeur finale avant t=.
 A t=, u passe brutalement de VCC à 0.
La variation du courant d’induit du moteur est régit par l’équation différentielle suivante :
C’est un régime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l’équation sous sa forme canonique :
La constante de temps est   
 est la valeur finale de i est 
i décroit donc suivant la courbe de réponse d’un 1er ordre à un échelon, mais n’a pas le temps
d’atteindre sa valeur finale avant t=.
 A t=T, on revient à la configuration de t=0
Le courant i est donc périodique.
On obtient la forme d’onde suivante :

11. Comment améliorer le lissage du courant ?
L’ondulation de courant  peut être approximer pour le
hacheur série par la relation :
Pour diminuer cette ondulation de courant, on peut donc
augmenter la fréquence F du hacheur ou augmenter le
L du moteur en ajoutant à celui-ci une inductance de
lissage en série.
12. Quelle est la structure du Hacheur parallèle ?
Le hacheur parallèle est un convertisseur statique réglant le transfert d’énergie entre une générateur
de courant continu est un récepteur de tension continue.
u
D
Hacheur parallèle
T
I
V
13. Quelle est la forme d’onde de la tension à l’entrée du hacheur parallèle ?
Les conductions de T et D sont complémentaires : quand T est passant (T=1) alors D est bloquée (D=0)
et vice-versa.
De 0 à , le transistor est passant : T=1 et D=0
U
I
v
On a alors v=0.
De  à , le transistor est bloqué : T=0 et D=1
U
I
v
On a alors v=U.
D’où la forme d’onde suivante :
0
v(t)
T T
U
t